neděle 15. srpna 2010

Jednoduchý PWM zesilovač

Zaujaly mě konstrukce digitálních zesilovačů třídy D a tak jsem se rozhodl taky nějaký postavit. Zvolil jsem jednoduchý typ s PWM výstupem odvozeným porovnáváním signálu s trojúhelníkem na komparátoru. Inspiroval jsem se tímhle: http://www.scribd.com/doc/23397948/null Zapojení jsem podstatně zjednoduššil až na úplný základ principu.

Schema celého zesilovače:

Na začátku je operační zesilovač na jehož výstupu je v klidu polovina napájecího napětí. Výstup je připojen na jeden vstup komparátoru. Na druhý vstup je přiveden signál trojúhelníhového průběhu, který je generován operačním zesilovačem na schématu uprostřed. C3 se periodicky nabíjí a vybíjí v rozsahu asi 1V okolo poloviny napájecího napětí. Amplituda trojúhelníku je určena odporem R4 a děličem R5,6. Vytvoří se tak hystereze a OZ reaguje až při dosažení požadovaného napětí na C3. Kondenzátor se obecně přes odpor samozřejmě nenabíjí lineárně, ale při malé amplitudě je signál vyhovující. Za komparátory je zesilovač pro spínání koncových tranzistorů. Za nimi pak LC dolní propust, která zabraňuje proniknutí spínací frekvence do reproduktorů.

Je nutné použít komparátory, co zvládnou zpracovat spínací frekvenci tak, aby na výstupu byl ostrý obdélník, běžné LM393 to zvládají. Operační zesilovače jsou vhodné nízkošumové, protože na komparátoru se vlastně sčítá šum obou vstupů a v citlivých reproduktorech je slyšet. Nakonec jsem osadil NE5532 a šum téměř utichl.

Zapojení z jednoduchosti neobsahuje důležité obvody pro opožděné spínání mosfetů nad sebou, takže nelze použít vyšší napájecí napětí než 12V, aby se zbytečně nezahřívaly.

Při oživování jsem měl velké problémy se stabilitou zapojení. Po napájení se šíří spínací frekvence, takže je potřeba do plošného spoje vhodně umístit vyhlazovací L.ESR elektrolyty a keramické kondenzátory k OZ. Kondenzátor C3 jsem měl původně 1nF, když už bylo zapojení stabilní, snižoval jsem jeho hodnotu a kontroloval průběh buzení mosfetů. Při kapacitě 330pF bylo stále vše v pořádku, pracovní frekvence asi 200kHz (závisí jak na odporu R3 tak i na velikosti hysterze napětí na vstupu OZ). Při této frekvenci už nejsou potíže s jejím pronikáním skrz dolní propust na výstup a zároveň je dosaženo dostatečného vzorkování.

Tumivky do výstupních filtrů jsem vzal z PC zdrojů, kde bývají na záporných větvích. Tam se najdou i potřebné elektrolyty, komparátory LM393 a ve starších nebo kvalitnějších i krabičkové svitky.

První zapojení rozhodně přes 12V žárovku a pak kontrolovat, zkoušet a ladit. Pokud hned chytne vazba, tak pomůže snížit napájecí napětí na minimum a třeba i přikládáním keramik a elytů zjišťovat, kde ještě chybí. Pokud je zapojení stabilní, dá se přemostit, nebo jen snížit hodnotu R1. Zapojení tak může fungovat od nižšího napájecího napětí, například klidně od 4V. (Tomu pak ale odpovídá výkon)

Pokud toužíte po ještě větším zjednoduššení, tak se dá vynechat vstupní předzesilovač a dát dělič a vstupní kondenzátor rovnou na vstup komparátoru, zapojení je pak rozhodně stabilnější a skoro nešumí. Při použití lepšího komparátoru by se daly vynechat i budící tranzistory.

Takhle jsem začal:
Hotová dvoukanálová verze:

Průběhy: Trojúhelník
Výstup před filtrem bez signálu, frekvence je přibližně 200kHz:
Výstup před filtrem: (na vstupu je 15kHz sinus)

Výstup za filtrem s odporovou zátěží: (1kHz)

I přes jednoduchost mě zapojení překvapilo velmi dobrým zvukem. Navíc má vysokou účinnost a naprázdno poměrně malý příkon. Například při 5,5V chce jen 200mW a reproduktory normálně hrají. Nejlépe funguje asi na 9V, proud naprázdno 144mA a chladič mosfetů vlažný. RMS přibližně 4W do 4R. Příště je potřeba udělat lepší řízení mosfetů, aby mohly běžet na větší napětí a dát tak větší výkon.

Žádné komentáře: